方法論記事

急速に製造された酸化インジウムスズ電極アレイによるヤヌス粒子の調製と交流電気力学的測定

DOI：

10.3791/55950

⸱

2017年6月23日

 , 
1Institute of Applied Mechanics, National Taiwan University

この記事について

サマリー

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この論文では、部分的または完全に被覆された金属粒子を調製し、急速に製造された酸化インジウムスズ（ITO）電極アレイを用いてAC動電学的特性測定を行う簡単な方法を実証する。

要約

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

この記事では、部分的または完全に被覆された金属粒子を調製し、マイクロ流体装置における電気実験を容易にすることができる電極アレイの迅速な製造を行うための簡単な方法を提供する。ヤヌス粒子は、その2つの面に2つの異なる表面特性を含む非対称粒子である。ヤヌス粒子を調製するために、シリカ粒子の単層が乾燥プロセスによって調製される。スパッタ装置を用いて各粒子の片面に金（Au）を蒸着する。完全に被覆された金属粒子は、第2のコーティングプロセスの後に完成する。 Janus粒子の電気的表面特性を分析するために、誘電泳動（DEP）および電気回転（EROT）のような交流（AC）動電学的測定が実施される。しかしながら、フォトリソグラフィ技術のような電極アレイを製造する従来の方法は、複雑な手順のここでは、設計された電極アレイを製造するための柔軟な方法を紹介する。インジウムスズ酸化物（ITO）ガラスをファイバレーザマーキング機（1,064nm、20W、パルス幅90~120ns、パルス繰り返し周波数20~80kHz）でパターン化して4相電極アレイを作成する。 4相電場を発生させるために、電極は2チャンネルのファンクションジェネレータと2つのインバータに接続されています。隣接する電極間の位相シフトは90°（EROTの場合）または180°（DEPの場合）のいずれかに設定されます。 4相ITO電極アレイを用いた交流電気力学測定の代表的な結果を示す。

概要

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二重の顔をしたローマ神にちなんで命名されたヤヌス粒子は、物理的または化学的に異なる表面特性1,2を持つ非対称な粒子です。この非対称な特徴のため、Janus粒子は、DEP 3,4,5,6、EROT 2 、誘導電荷電気泳動（ICEP）7,8,9などの電界下で特別な反応を示す。近年、ピカリングエマルジョン法10 、電気流体力学的共噴射法11 、およびマイクロ流体光重合法12を含む、ヤヌス粒子を調製するいくつかの方法が報告されている。しかし、これらのメソッドは、一連のcomplicated装置および手順。この記事では、Janus粒子と完全に被覆された金属粒子を調製する簡単な方法を紹介します。乾燥工程で微細なシリカ粒子の単分子膜を作製し、これをスパッタ装置に入れてAuを被覆する。粒子の1つの半球が陰影付けされ、他の半球だけがAu 2 13で被覆される。ヤヌス粒子の単分子層にポリジメチルシロキサン（PDMS）スタンプを打ち抜き、第2のコーティングプロセスで処理して完全に被覆された金属粒子14を調製する。

Janus粒子の電気的特性を特徴付けるために、DEP、EROT、および電場配向などの異なるAC動電学的応答が広く用いられている9,15,16,17,18 、 19 。例えば、EROTは、外部から与えられた回転電界2,9,15,16のもとでの粒子の定常状態回転応答である。 EROTを測定することにより、誘導された粒子の双極子と電場との間の相互作用が得られる。誘導双極子と不均一電場との間の相互作用から生じるDEPは、粒子移動3,4,5,9,15に導くことができる。異なる種類の粒子は、電極端部に引き付けられ（正のDEP）、または反発され（負のDEP）、マイクロ流体装置内の粒子を操作および特徴付けるための一般的な方法として働くことができる。翻訳（DEP）およびロタ電場下での粒子の勾配（EROT）特性は、Clausius-Mossotti（CM）因子の実数部および虚数部によってそれぞれ支配される。 CM因子は、DEPおよびEROTの固有振動数ωc =2σ/ aC DLから明らかになる、粒子および周囲の液体の電気的特性に依存し、ここで、σは液体の導電率、aは粒子の半径、 C DLは電気二重層15,16のキャパシタンスである。パーティクルのEROTとDEPを測定するには、特別に設計された電極配列パターンが必要です。従来、フォトリソグラフィ技術を用いて電極アレイを作製し、フォトレジストスピンコーティング、マスクアライメント、露光、現像などの一連の複雑な手順を必要としていたが、s = "xref"> 19,20。

この記事では、直接的な光パターニングによって、電極アレイの迅速な製造が実証されています。ガラス基板上にコーティングされた透明な薄膜ITO層をファイバレーザマーキング装置（1,064nm、20W、90〜120nsパルス幅、20〜80kHzパルス繰り返し周波数）で部分的に除去して4相電極アレイ。斜め電極間の距離は150〜800μmであり、これは実験に合わせて調整することができる。 4相電極アレイは、異なるマイクロ流体デバイス15,16,18内の粒子を特徴付け、濃縮するために使用することができる。 4相の電界を生成するために、電極アレイは、2チャネルの関数発生器と2つのインバータに接続される。隣接する電極間の位相シフトは、90°（EROTの場合）または180°（DEPの場合） 15 。 AC信号は0.5〜4Vp-pの電圧振幅で印加され、動作プロセス中の周波数は100Hz〜5MHzの範囲である。 Janus粒子、金属粒子、およびシリカ粒子は、それらのAC動電学的特性を測定するための試料として使用される。粒子の懸濁液を電極アレイの中央領域に置き、40X、NA0.6の対物レンズを備えた倒立光学顕微鏡下で観察する。パーティクルの動きと回転は、デジタルカメラで記録されます。 DEPの動きは、アレイ中心から半径方向に40~65μmの環状領域に記録され、EROTは、アレイ領域から半径方向に65μm離れた円形領域に記録される。粒子速度および角速度は、粒子追跡法によって測定される。粒子重心は、ソフトウェアを使用して粒子のグレースケールまたはジオメトリによって区別されます。粒子速度と角速度は粒子重心の動きを測定する。

この記事では、任意のパターンの電極アレイを迅速に製造する簡単な方法を提供します。それは、生物学から産業応用に至るまで、さまざまな分野で使用できる完全または部分的に被覆された金属粒子の調製を紹介しています。

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プロトコル

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1.マイクロチップの製作

  1. ITO電極の作製
    1. 市販のイラストレーションソフトウェアを使って十字模様を描きましょう。斜め電極間の距離を160μmに設定し、 図1に示すように、幅30 mm、長さ55 mmの十字パターンのアームを作成します 。イラストファイルをDXFファイルとして保存します。
    2. ガラスカッターを使用して、ITOガラスを25 mm x 50 mm（幅x長さ）のサイズにトリミングします。 75％エタノールとDI水を使用して、ITOガラスを数回すすいでください。
    3. パルスガラスレーザマーキングマシンにITOガラスを置きます。 ITOガラスとレーザーの距離を279.5 mmに調整して、レーザーをITOガラスの表面に合わせます。
      注：ここで使用されるレーザーは、約5×10 5 W / cm 2のパルス光強度を有する、1,064nm、20W、90〜120nsパルス幅、および20〜80kHzパルス繰返し周波数を有する。）。
    4. レーザーマーキングマシンのコンピュータにイラストファイル（DXFファイル）を直接入力してください。 "Mark Parameter"ボタンをクリックし、以下のパラメータを入力します：speed、 "800 mm / s;"パワー "、" 60％; "周波数は「40kHz」となります。 「フレーム」、「塗りつぶし」、「塗りつぶし」の用語をチェックします。
      1. "プレビュー"ボタンをクリックして、パターンをITOガラスセンターに配置します。 "Sample Sample"ボタンをクリックしてITOガラスをパターニングします（ 図 1A ）。
  2. 4相ジェネレータの設定と実験用マイクロチップの接続
    1. 図2Aに示すように、インバータの回路を構築します 。
    2. 図 2Cに示すように、4相電極の4本のワイヤをテープに直接接触させて接続します。 「Chann」を分割する関数発生器の「el1」をダブルBNCコネクタを使用して2つのブランチに分割します。
      1. 1つのブランチをITO電極に接続されたワイヤ（＃1）に接続し、もう1つをインバータの入力に接続します。 図 2Bに示すように、インバータの出力を配線（＃3）に接続します。
    3. 手順1.2.2と同じ手順で「チャンネル2」を接続しますが、 図 2Bに示すようにワイヤ（＃2と＃4）に接続します。
    4. EROT実験では、2つのチャンネル間の位相シフトを関数発生器で直接90°に設定します。 図 2Dに示すように、実験中、0.5〜4Vp -pの電圧振幅および100Hz〜5MHzの範囲の周波数の正弦波を印加する。
    5. DEP実験では、チャネル1の1つのブランチをITO電極に取り付けられたワイヤ（＃1）に接続し、もう1つをインバータの入力。インバータの出力を配線（＃2）に接続します。同じ手順でチャンネル2を接続しますが、ワイヤー（＃3と＃4）に接続してください。
    6. 2つのチャンネル間の位相シフトをファンクションジェネレータに直接0°に設定します。 図 2Dに示すように、実験中、0.5〜4Vp -pの電圧振幅および100Hz〜5MHzの範囲の周波数の正弦波を印加する。

2.試料の調製

  1. ヤヌス粒子の調製
    1. 2μmのシリカ粒子水性懸濁液（10％w / w）を2,200 xgで1分間遠心分離する。
    2. 沈降シリカ粒子2μLを1.5mL微量遠心分離管にピペットし、500μLのエタノール（99.5％v / v）を加える。
      注：上清は廃棄する必要はありません。 4℃の冷蔵庫に保存してください。 pipettinの前に再懸濁する必要はありませんg。
    3. 超音波破砕機（43kHz、50W）を用いてエタノール - シリカ粒子懸濁液を1分間超音波処理した後、2,200xgで3分間遠心分離する。
    4. 上清を500μLのエタノールで置換し、ステップ2.1.3を3回繰り返す。
    5. 上清を8μLのエタノールで置換し、超音波装置（43kHz、50W）を用いてエタノール - シリカ粒子懸濁液を3分間超音波処理する。
      注：この段階で約10μLのエタノール - シリカ粒子懸濁液がチューブ内に残るはずです。
    6. エタノール - シリカ粒子懸濁液2μLをピペットして、通常のガラススライド（幅25mm、長さ75mm、厚さ1.2mm）に滴下して液滴を形成させる。
      注：この量の粒子懸濁液は、5〜6枚のスライド（各スライドにつき2μL）の単層を調製するのに十分である。
    7. カバーガラスでゆっくりとエタノール - シリカ粒子の液滴をドラッグして、シリカ粒子の単層を形成する（ 図3 A ）。
    8. シリカ粒子の単層を有するスライドをスパッタリング装置に入れ、Auでコーティングする。
      1. 100mTorrでスパッタチャンバーから空気を除去し、アルゴンを10分間注入する（空気をアルゴンで置換する）。アルゴンの注入を停止し、チャンバから70mTorrでアルゴンを除去する。
      2. 電流を200mAで15mAに設定します。 （ 図 3B ）。ヤヌス粒子はこの段階で既に調製されている。
    9. スパッタされたスライド上に20μLの脱イオン水を滴下し、通常の200μLピペットチップを使用して、Janus粒子を単層から擦る。
      注：単層から擦ったヤヌス粒子は、この段階でDI水滴中に懸濁する。
    10. ヤヌス粒子懸濁液滴をピペットで取り、別の1.5mL遠心分離管に滴下する。
    11. ヤヌス粒子懸濁液を使用して、サンプルをDI水で適切な濃縮物実験のためにオン。
      注記：ここに記載されている実験における粒子懸濁液の濃度は約2,000カウント/μLです。
  2. 完全に被覆された金属粒子 14の 調製
    1. PDMSポリマーベースと硬化剤を10：1の重量比で混合する。
    2. ガラスの周りのテープがスライドして容器の側壁を形成する。 図4Aに示すように、PDMSの混合物をテープスライド上に注ぎ、PDMS層を2〜3mmにする 。
    3. PDMS混合物を有するテープスライド（容器）を気密チャンバに入れ、PDMS混合物中の気泡を除去するために30分間真空ポンプを作動させる。
    4. PDMS混合物（ステップ2.2.3）のテープスライド（容器）をオーブンに入れます。 70℃で2時間PDMS混合物を硬化させてPDMSスタンプを形成する。
    5. PDMSスタンプが硬化した後、スライドとテープを取り出してPDMSスタンプ、表面図4（ B）に示すように、ガラススライドに最初に取り付けられ、平坦な表面を形成する。
    6. 2.1.1-2.1.8の手順に従って、Janus粒子の単層をスライド上に調製します。
    7. PDMSスタンプの平坦な表面を使用して、均一な圧力で単層をスタンプします。
    8. PDMSスタンプを、ステップ2.1.8で作製したスライドガラスから反転したJanus粒子の単層をスパッタリング装置に入れ、Auでコーティングする。
      1. 100mTorrでスパッタチャンバーから空気を除去し、アルゴンを10分間注入する（空気をアルゴンで置換する）。アルゴンの注入を停止し、チャンバから70mTorrでアルゴンを除去する。
      2. 電流を200mAで15mAに設定します （ 図 4C ）。完全に被覆された金属粒子はこの段階で既に調製されている。
    9. 2.1.9-2.1.11の手順に従って、実験用のサンプルを準備します。

    3. AC動静力学測定の実験

    1. 5枚のパラフィンフィルムをラップしてスペーサーを作製する。ヒートガンを用いてITO電極アレイと膜厚500μmのスペーサーを合わせ、顕微鏡ステージ上に電極を置きます。
      1. ステップ2.1と2.2で調製した粒子懸濁液8μLを交差電極アレイの中心に滴下する。カバーガラスをスペーサーの上に置きます。
    2. EROT実験では、関数発生器で2チャンネル間の位相シフトを90°に設定します。実験中（ステップ1.2.2-1.2.3の接続に基づく）、0.5〜4V ppの電圧振幅と100Hz〜5MHzの範囲の周波数の正弦波を印加します。
      1. ファンクションジェネレータの "波形"ボタンをクリックして波形を選択します。関数geの番号付きボタンを使用して電圧と周波数の値を入力します「出力」ボタンをクリックしてAC信号をオンにします。
    3. DEP実験では、2チャンネル間の位相シフトを0°に設定します。ステップ3.2.1のようにファンクションジェネレータを設定して、実験中（ステップ1.2.5の接続に基づく）、0.5〜4V ppの電圧振幅と100Hz〜5MHzの周波数の正弦波を印加します。
    4. 「出力」ボタンをクリックしてAC信号をオンにし、40X、NA0.6の対物レンズを備えた倒立光学顕微鏡で、粒子の動きと回転の画像をカメラで撮影します。
    5. 粒子の動きと回転の画像をソフトウェアに入力し、パーティクルトラッキングによって粒子の軌跡を分析し、粒子と角速度を取得します。
      注意：ここでは画像二値化と粒子追跡のために "Image J"ソフトウェアと "MultiTracker"プラグインを使用しました。

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結果

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4相電極アレイは、ファイバレーザマーキング機によって生成される。ガラス上にコーティングされたITO導電層は、 図 1Bに示すように、160μmのギャップを有する交差パターンを形成するために、フォーカスレーザーによって除去される。

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図1 ：ITO電極の準備。 （ A ）ファイバレーザマーキングマシン（1,064nm、20W、パルス幅90〜120ns、パルス繰り返し周波数20〜80kHz）を用いて4相ITO電極を作成する概略図。 （ B ）顕微鏡下...

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ディスカッション

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ファイバレーザマーキング装置を用いてITO電極アレイを製造することにより、任意のパターンの電極を迅速に製造する方法が提供される。しかしながら、この方法には、従来の方法で作製された金属電極と比較して、電荷キャリアが少なく、ITO電極の製造精度が低いなどの欠点がある。これらの欠点は、いくつかの実験を制限する可能性がある。例えば、電極間に大きな距離がある場合、電場の分布に影響を与える可能性のある電荷キャリアがより少ない。加えて、パターニングパラメータの調整は、この方法の重要なステップであり、これはITO電極アレイの品質に直接影響する。例えば、レーザ出力は、ガラス基板からのITO導電層の除去に影響を及ぼす。レーザーの周波数と速度は、ITO電極エッジの平滑さを決定します。通常、試行錯誤によって適切なパターニングパラメータが見つけられる。つまり、このmethodは、​​ITOガラス上に任意のパターンで電極を迅速かつ効率的に製造することができ、多くの種類の電気実験に応用することができ、研究などの用途に使用できます。

Janus粒子および金属粒子を乾燥プロセスで調製することは、簡単で便利な方法で...

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開示事項

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著者は何も開示することはない。

謝辞

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この研究は、助成金NSC 103-2112-M-002-008-MY3に基づき、台湾の科学技術省、ROCによって支援された。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
シリカマイクロスフェア-2.34 & マイクロ;エムバンス研究所SS04N
エチルアルコール(99.5%)片山化学E-0105
シルガード 184 A&B シリコーンエラストマー(PDMS)DOW CORNINGPDMS 
 ITOガラス発光技術LT-G001
ファイバーレーザーマーキングマシン台湾3軸技術TAFB-R-20W
 2チャンネルファンクションジェネレータグウィンセックAFG-2225
CMOSカメラポイントグレーGS3-U3-32S4M-C
スパッタJEOLJFC-1100E
オペアンプテキサス・インスツルメンツLM6361NOPインバータ 
超音波洗浄機Gui Lin Yiyuan超音波機械有限公司DG-1
微量遠心分離機サイエンティフィック・スペシャリティーズ(株)1.5ml
ミニ遠心分離機LMSMC-MCF-2360
顕微鏡カバーガラスマリエンフェルド-スーペリア18 * 18mm
倒立光学顕微鏡オリンパスOX-71 
パラフィルムベミススペーサー

参考文献

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